Filtro Scavenger

Descripción general

A principio de la década de los 80 la planta de San Joaquín recibía alrededor del 50% del agua requerida en la planta del suministro municipal, la otra mitad venía de pozos subterráneos.La calidad del agua proveniente del acueducto comenzó con un rápido deterioro debido a la conexión con el sistema del Pao Cachinche de la tubería que suministraba agua a la zona norte del lago de Valencia, es decir las poblaciones de Guacara, San Joaquín, Maracay, etc.

La necesidad de mantener el suministro alternativo, indispensable para una planta con proyección de crecimiento importante, nos llevó a evaluar diferentes alternativas para minimizar el impacto de la calidad en los procesos de planta.

En la época el principal suplidor de equipos de tratamiento de aguas era la compañía Mannesmann Anlagenbau quienes nos ofrecieron la tecnología de una resina de intercambio iónico con propiedades de adsorción de materia orgánica de forma selectiva, es decir la resina adsorbe moléculas orgánicas de alto peso molecular para complementar la labor de adsorción del filtro de carbón que por el contrario adsorbe moléculas de bajo peso.

Las resinas son regeneradas de igual forma que los intercambiadores iónicos tradicionales, suavizadores, descarbonatadores y desmineralizadores, utilizando técnicas algo diferentes en cuanto a tiempos y concentraciones de soda cáustica y salmuera.

Descripción de proceso

Los filtros Scavenger son equipos adsorbedores de materia orgánica disuelta, los cuales utilizan resinas de intercambio iónico como medio adsorbente.

En Cervecería Polar los filtros Scavenger fueron incorporados como un complemento a la función de los Filtros de Carbón para la reducción de materia orgánica en el agua utilizada para la elaboración de cerveza. Inicialmente fueron colocados como paso previo a la filtración por carbón con la intención de reducir la carga hacia éstos y alargar la vida útil del carbón. Posteriormente, la sensibilidad de las resinas a la oxidación por cloro residual obligó a su reubicación después de los filtros de carbón.

Resinas scavenger

Dada las características de las resinas en los sistemas de intercambio iónico (porosidad y carga), se puede observar cierta remoción de materia orgánica presente en el agua tratada. Sin embargo, estos compuestos orgánicos removidos impiden la operación eficiente de las resinas de intercambio iónico debido al ensuciamiento que provocan, denominado “Fouling Orgánico”, el cual se aprecia especialmente en las resinas de intercambio aniónico Durante años, no fue reconocido este problema hasta que ocurrió un incremento en las demandas de agua de alta pureza, requeridas por la industria electrónica, farmacéutica y otras, lo que evidencia que las trazas de materia húmica en la alimentación de los sistemas de deionización ocasionan actualmente serios problemas. Por esta razón, se implementó el uso de resinas Scavenger como un método atractivo para la remoción de sustancias orgánicas en las aguas.

Las resinas scavenger son intercambiadores sintéticos macroreticulares con un carácter aniónico fuerte. Estos intercambiadores tienen un gran área superficial interior similar a las características del carbón activado. Son selectivos y sus estructuras porosas permiten adsorber y desorber moléculas de alto peso molecular y fracciones coloidales de materia orgánica. Debido a que el tamaño molecular de las sustancias orgánicas en el agua es muy variado, la estructura del poro y la flexibilidad de las resinas de intercambio aniónico juegan un papel importante en la remoción de sustancias orgánicas del agua.

Debido al alto peso molecular de los ácidos orgánicos, la capacidad de adsorción de las resinas de intercambio aniónico es limitada. Aunque alguna materia orgánica adsorbida se elimina de la resina aniónica durante la regeneración normal, una fracción sustancial de los orgánicos resisten a la eliminación y, por lo tanto, se acumulan dentro de la resina. Tanto la capacidad limitada para adsorber materia orgánica como la acumulación de orgánicos en la resina resulta que sea inevitable la fuga de materia orgánica durante los ciclos de operación siguientes, resultando una reducción en la calidad del agua.

Mecanismo de remoción

Estudios realizados indicaron que algunas sustancias húmicas son removidas por las resinas de intercambio aniónico por medio de un simple proceso de intercambio iónico y algunas partes del material húmico son removidas por adsorción superficial que implica una vinculación covalente por medio de fuerzas de Van Der Waals, en particular en medio ácido, cuando las sustancias húmicas no están protonadas.

Es por esto que se plantean dos posibles mecanismos para la remoción de ácidos orgánicos en el agua:

1.    El mecanismo responsable de la retención de los grupos carboxílicos de un ácido orgánico por los grupos activos de la resina que implica el reemplazo de contra iones en la resina se describe como “intercambio iónico”.

2.    Un mecanismo que es responsable de la retención de partes no iónicas de un ácido orgánico por la superficie interna de la resina sin interacción con algunos grupos activos se define como “adsorción superficial”.

Por todo lo antes mencionado, un ácido orgánico puede ser removido sólo por el mecanismo 1 o sólo por el mecanismo 2 o por combinación de ambos. Cuando actúa sólo el mecanismo 1, la remoción es por intercambio iónico. Cuando actúa sólo el mecanismo 2, el mecanismo de remoción es por adsorción superficial, y este mecanismo es llamado “adsorción electrolítica”.

Una combinación de los mecanismos 1 y 2, como se muestra, ocurre cuando los grupos carboxílicos de una molécula orgánica se unen a los grupos funcionales aminos de la resina (intercambio iónico) y la parte no iónica de la molécula se une a la superficie interior de la resina por medio de una adsorción superficial.

Naturaleza de la materia orgánica en las aguas

La naturaleza de la materia orgánica en las aguas es muy variable, pudiendo ser de origen natural o sintético. La porción de materia orgánica natural encontrada en las aguas proviene principalmente de la descomposición de plantas y suelos que entran en contacto con las fuentes de agua superficial. Los productos de la descomposición vegetal son polifuncionales y complejos, generalmente de naturaleza ácido aromática y polimerizados, con pesos moleculares que varían de unos cientos, a miles de unidades. Entre estas estructuras se mencionan: taninos, ácidos húmicos (productos de desintegración de restos de vegetación), ácidos fúlvicos, péptidos, aminoácidos y ácidos grasos, entre otros; además de trazas de proteínas (productos de la desintegración de vegetales y faunas).

Desde un punto de vista general, la materia orgánica presente en el agua puede subdividirse de la siguiente manera

Materia orgánica insoluble

·        Desechos de origen animal y vegetal

·        Microorganismos

·        Materia húmica

·        Materia oleaginosa

Materia orgánica soluble

·        Materia húmica (de bajo peso molecular)

·        Ácidos orgánicos

·        Proteínas, péptidos y aminoácidos

·        Sacáridos, azúcares, etc.

·        Compuestos orgánicos sintéticos

·        Gases y vapores orgánicos disueltos

·        Extractos solubles de origen animal y vegetal

El término ácido húmico se refiere generalmente a la fracción de material orgánico provenientes del suelo que es soluble en soluciones alcalinas, pero insolubles en soluciones ácidas o alcohol etílico. Por otra parte, la fracción soluble en ácido se designa como ácido fúlvico; dentro de las impurezas que contienen los ácidos fúlvicos se encuentran: ácido benzoico, ácido valérico, ácido caprónico, ácido heptanóico, ácido octanóico, ácido ciclohexanocarboxílico, ácido p-toluico, fenol, clorofenol y ácido metacrílico.

Los productos de la degradación química de sustancias húmicas acuosas incluyen:

·        Por hidrólisis alcalina: fenol, ácidos fenólicos, ácidos alifáticos (C13-C17) y ácido cítrico.

·        Por oxidación OH / CuO: vanillina, p-hidroxibenzaldehido, siringaldehido, ácido vaníllico, ácido 3,5-dihidroxibenzóico.

·        Por oxidación OH / MnO4: ácidos alifáticos (C7-C15), ácidos dicarboxílicos (C1-C15), ácidos fenólicos y benceno, ácidos policarboxílicos (sustituciones OCH3).

Muchos microorganismos en general desarrollan resistencia a la mayoría de los químicos orgánicos y los transforman en compuestos que no son tóxicos para sí mismos, pero pueden ser dañinos para el ambiente que los rodea. De manera general, las reacciones catalizadas por enzimas son posibles en las transformaciones metabólicas de los compuestos orgánicos.

Principales retos

La complejidad de la naturaleza de la materia orgánica hace sumamente difícil garantizar la eliminación de todos los compuestos que pudieran dar sabor, olor y color al agua tratada. El uso de carbón activado introduce una barrera para la reducción de la misma, principalmente moléculas de bajo peso molecular. La resina Scavenger amplía el espectro de retención hacia moléculas de mayor peso molecular, sin embargo siempre se detecta con métodos de laboratorio la presencia de compuestos orgánicos y la garantía de eliminación un potencial compuesto que pueda causar olor, color o sabor no esta siempre garantizada.

Principales logros

La instalación y operación de los filtros Scavenger llevó una curva de aprendizaje en cuanto a los métodos de medición de calidad, procedimientos de regeneración que fueron siendo adaptados hasta obtener las condiciones óptimas de los ciclos de carga y limpieza.

Plantas que utilizaron esta tecnología

Las otras 3 plantas de cervecería Polar C.A. incorporaron esta tecnología como estándar para la reducción global del contenido de materia orgánica en el tratamiento de agua para la elaboración de cerveza.